Výukový program: Modul pružnosti oceli – materiálové inženýrství

Ocel je důležitým materiálem v moderním průmyslu a používá se pro různé aplikace. Klíčovou vlastností, kterou je třeba při používání oceli zvážit, je jejich pružnost. Modul pružnosti neboli Youngův modul ukazuje, kolik stresu je zapotřebí k dosažení určitého stupně prodloužení. V tomto článku se podíváme na různé typy oceli a jejich příslušné elastické moduly.

Co je ocel?

Ocel se skládá hlavně z železa (Fe) a uhlíku (C), ale lze přidat i další prvky, které zlepší nebo přizpůsobí její vlastnosti.

Většina komerčně dostupných karbidů má obsah uhlíku mezi 0,2 % a 2 %. Přesné složení se liší v závislosti na výrobci a zamýšleném použití materiálu.

Dnes lze díky moderním technologiím a výsledkům výzkumu vyrábět oceli, které mají impozantní kombinaci vlastností. Tyto vlastnosti jsou výsledkem cíleného přidání slitinových prvků, jako je chrom, molybden nebo nikl, v určitých poměrech.

Doprovodné prvky v oceli také hrají důležitou roli při určování jeho fyzikálních a chemických vlastností. Uhlík například zvyšuje tvrdost materiálu, zatímco síra jej zkřehčuje.
Kromě toho je krystalová struktura oceli po deformaci a její tepelný stav také rozhodující pro její konečné mechanické a termodynamické vlastnosti. Požadovaného stavu mohou dosáhnout řízené procesy chlazení nebo ohřevu.

Jaké jsou třídy oceli?

Existuje široká škála různých druhů oceli, které jsou vyráběny pro různé účely. Mezi nejběžnější typy patří uhlíková ocel, legovaná ocel a nerezová ocel.

Uhlíkové oceli mají vysoký obsah uhlíku a často se používají pro stavební prvky, jako jsou nosníky nebo mosty. Lze je také použít u obráběcích strojů, protože jsou dostatečně těžké na provedení řezů. Díky své vysoké pevnosti a tvrdosti jsou uhlíkové oceli oblíbeným materiálem ve speciální konstrukci strojů. Jsou vhodné zejména pro komponenty, které jsou vystaveny vysokému zatížení, jako jsou převodová kola nebo hřídele.

Kromě železa obsahují legované oceli také další prvky, jako je chrom nebo molybden. Tato aditiva zlepšují pevnost materiálu a jeho odolnost proti korozi vůči vodě nebo vlhkosti. Ve speciální konstrukci stroje se legované oceli používají například při výrobě dílů obráběcích strojů. Při výrobě speciálního vybavení pro těžbu a konstrukci tunelů i při stavbě jeřábů se často používají i legované oceli.

Nerezavějící ocel (nerezové) je charakterizována vysokou odolností proti korozi – proto je její název „nerezavějící“. Díky tomu je ideální pro použití venku a v prostředích s vystavením vlhkosti, jako je kuchyňské náčiní nebo zdravotnické vybavení. Ocel bez rzi a nerezová ocel jsou nezbytné pro speciální konstrukci strojů. Nabízejí vysokou odolnost proti korozi, což je obzvláště výhodné ve vlhkém nebo agresivním prostředí.

Kromě těchto tří hlavních typů je na trhu k dispozici mnoho dalších specializovaných jakostí oceli: Například vysokoteplotní oceli se používají v extrémně horkých podmínkách; elektrické oceli zase umožňují vyšší energetickou účinnost v elektrických transformátorech; pružinové oceli se používají především při konstrukci pružin.

Co je to modul pružnosti oceli?

Jak se určuje modul pružnosti oceli?

Modul pružnosti je definován lineárním rozsahem v diagramu namáhání.

Díky uniaxiální zátěži v tahovém testu lze tento lineární rozsah snadno rozpoznat: Čím vyšší je aplikovaná tahová síla, tím více se materiál roztahuje – ale vždy úměrně síle. Sklon této lineární elastické oblasti pak vede k modulu pružnosti materiálu.

Na základě tohoto odvození se Hookeův zákon vztahuje na:

E-modul různých typů oceli

Je důležité poznamenat, že e modul závisí nejen na chemickém složení materiálu, ale je také ovlivněn výrobním procesem a mechanickými vlastnostmi, jako je tvrdost nebo pevnost.

Čím vyšší je e-modul konkrétní třídy oceli, tím robustnější jsou konstrukce, které z ní byly vyrobeny, při zatížení.